KR100231972B1 - 연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물 저감형 버너 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물(NOx) 저감형 버너에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

종래의 배기가스 재순환법이나 화로내 이단연소법은 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야 하므로 경제적인 부담 및 설비, 보수 그리고, 유지에 지속적인 부담이 요구되는 문제점이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

공기분리통을 버너타일(Tile) 평행부까지 연장시키고 그 끝단을 확대관의 형상으로하며 1차베인(1st. Vane)과 2차베인(2nd. Vane)을 동일반경내에 설치한 본 발명에 의해 해결됨.

4. 발명의 중요한 용도

버너 내부의 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있으며 동시에 분진도 줄일 수 있음.

Description

연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물 저감형 버너

본 발명은 연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물(NOx) 저감형 버너에 관한 것이며, 구체적으로 화석연료 연소로 인하여 생성된 공해물질인 질소산화물을 연소과정에서 줄일 수 있는 산업용 버너에 관한 것으로, 연소 공기를 조절하는 1차베인(1st. Vane)과 2차베인(2nd. Vane)을 동일반경내에 설치하여 각각의 유로로 유입되는 공기의 선회도 및 유량을 쉽게 조절할 수 있도록 하고, 1차공기와 2차공기를 분리시키는 공기분리통의 끝단을 확대형상화하여 버너 출구부까지 연장시킴으로써 1차 공기를 반경방향으로 확산시켜 화염후류측에 공기과잉 상태를 만듬으로써 주 연소영역에서 생성된 질소산화물의 환원반응 및 불완전 연소물질의 완전연소를 촉진토록 하고, 2차 공기만으로 초기 화염대를 구성토록하여 저산소 연소상태를 유지함으로써 연료중의 질소성분 가스화를 촉진시켜 부분적인 연료질소산화물(Fuel NOx)의 생성을 억제하고 아울러 열적 질소산화물(Thermal NOx)의 생성도 억제할 수 있도록 한 것이다.

현재 화석연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소 산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량은 엄격히 규제되고 있다. 따라서 연소에 의한 화학에너지의 열에너지로의 변환에 있어서 완전연소는 버너의 기본적인 만족사항이고, 특별한 미연분의 증가없이 질소산화물의 감소 정도가 버너의 성능을 좌우하는 매우 중요한 항목으로 부각되어 있다.

종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은 연소용 공기중에 함유된 질소가 고온의 연소분위기에서 과잉산소와 반응하면서 생성되는 열적 질소산화물(Thermal NOx)을 감소시키기 위해 고온의 연소지역에서는 과잉산소가 부족하도록 연료과잉-공기부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고, 공기부족에 의해 발생되는 불완전 연소물을 노내온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

이를 위해 버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기 부족 상태를 유지하고, 이때 생성된 불완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 공급하였다. 이러한 버너 앞에서 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되어 있는 기법에는 배기가스 재순환법과 화로내 이단연소 기법이 있는데, 배기가스 재순환법이란 연소된 배기가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 버너로 유입시켜 연소하는 방법을 말한다.

또한, 화로내 이단연소법은 연소공기의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너지역에서 불안전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 기법으로써 이들 상기 2가지 기법은 이에 따른 설비추가가 요구되는 질소산화물 감소기법이다.

이에 비해, 공기역학적인 방법을 사용한 저 질소산화물 버너를 이용하게 되면 버너에서 연소공기를 분할 공급하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시킬 수 있다.

전자의 2가지 기법은 질소산화물 감소효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야 하므로 경제적인 부담 및 설비, 보수 그리고, 유지에 지속적인 부담이 요구된다. 그러므로 최근에는 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있는 후자의 저 질소산화물 버너를 선호하는 추세이다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 능동적으로 대처하기 위하여, 버너부의 공기역학적인 고려로 후류연소영역을 과잉공기상태로 만들어 연소과정중에 생성된 미연가스 및 분진의 과대 증가를 방지하며 아울러 버너부 초기화염 안정화와 저산소 연소를 추진함으로써 연소반응 지연에 의한 화염의 최고 온도영역을 완화시키게 된다. 이로 인하여 저온의 연소분위기를 형성으로 버너부 근처 연료과잉 영역의 질소산화물 생성을 억제하고, 화염후류에 공기과잉영역을 형성하며 질소산화물의 질소로의 환원반응을 촉진하여 질소산화물 저감하고 이에 따른 미연분과 과대한 증가도 방지하여 질소산화물 저감버너의 단점을 해결하면서 질소산화물을 저감시키도록 하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 공기분리통을 버너타일(Tile) 평행부까지 연장시키고 그 끝단을 확대관의 형상으로하여 1차공기 분출방향을 화로벽면으로 향하게 하고 1차공기와 2차공기의 선회도 및 공기량을 각각의 선회베인으로 쉽게 조절하도록하며 2차공기에 의한 초기화염 안정화를 실시하고 강선회된 1차 공기의 확산효과에 의한 화염대의 저산소 연소로 질소산화물 생성에 필요한 잉여산소농도를 줄여 질소산화물 생성을 억제하고 아울러 화염을 분할시킴으로써 고온 화염면의 급속냉각을 실현시킴과 동시에 질소산화물의 생성을 억제토록 하고 이러한 저산소 연소에 따라 필연적으로 발생되는 미연분은 화염대 후류로 집중시킨 연소공기에 의하여 완전연소를 실현하였으며 아울러 미연가스중에 함유된 연소 중간생성물과 발생된 질소산화물을 질소로의 환원반응이 일어나 질소산화물을 더욱더 저감시킬 수 있도록 한 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바, 첨부한 도면을 통해 이하에 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 유동장 및 연소장 형상도.

제3도는 본 발명의 화로내 온도분포 특성도.

제4도는 본 발명의 질소산화물 및 분진배출 특성도.

제5도는 종래 버너의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 1차베인 2 : 2차베인

3 : 공기분리통 4 : 평행부

5 : 확대관 6 : 버너타일

7 : 연료노즐 8 : 보염기

9 : 1차베인 구동축 10 : 2차베인 구동축

제1도는 본 발명의 단면도를 나타낸 것이며, 본 발명은 미연물질인 분진과 질소산화물을 버너 자체에서 감소시킬 수 있도록 발명한 것으로, 1차베인(1), 2차베인(2), 공기분리통(3), 평행부(4), 확대관(5), 버너타일(6), 연료노즐(7), 보염기(8), 1차베인 구동축(9) 그리고, 2차베인 구동축(10)으로 구성되어 있다.

이하, 본 발명의 작용에 대하여 상술한다.

제2도는 본 발명에 의한 유동장 및 연소장 형상도를 나타낸 것이다.

본 발명이 적용된 버너는, 제5도의 종래버너의 1차베인(1)과 2차베인의 구조(2)를, 제1도와 같이 동일 반경내에 위치시키고 1차베인 구동축(9)과 2차베인 구동축(10)을 조절함으로서 베인별 각도를 반경시켜 각각의 베인을 통과하는 공기량 및 선회도를 쉽게 조절할 수 있게 하였다. 특히, 2차베인(2)을 통과하는 공기량을 1차베인(1)의 선회도에 관계없이 조절할 수 있도록함으로써 질소산화물 저감을 위한 연소공기의 다단계 유입을 가능토록 하였다.

또한, 1차베인(1)을 통과한 1차공기를 화염대 후류로 집중시키는 효과를 극대화하기 위하여 기존의 공기분리통(3) 끝단에 평행부(4)를 설치하여 버너타일(6)의 평행부까지 연장시키고 아울러 확대관(5)을 부착하여 제2도와 같이 중간연소영역 후단부터 1차공기와 연료가 혼합되도록 하였다. 이로 인하여 초기연소영역과 중간연소영역의 산소농도를 저하시켜 공기중의 질소와 연료중의 질소가 산화되는데 필요한 잉여산소를 최소화하여 질소산화물 생성을 억제하였다.

또한, 저산소연소로 인하여 발생되는 미연성분은 완전연소영역으로 집중되는 과다한 산소와 쉽게 혼합되어 완전연소시킴으로써 질소산화물 저감에 따른 미연분 증가를 방지하였고 아울러 중간연소영역에서 발생한 중간생성물과 발생된 질소산화물의 환원반응이 진행되면서 질소산화물은 더욱더 줄어든다.

이와같은 저산소 연소에 따른 화염불안정화를 예방하기 위하여 2차베인(2)의 1차베인(1)과 동인 반경상에 설치하여 적정량을 쉽게 초기연소영역으로 유입되도록 하였으며 이에 따라 파생되는 화염대의 산소농도 증가는 2차베인(2)에서의 선회도 강화로 쉽게 해결하였다. 즉, 저산소 연소와 화염대 후류에서의 완전연소 및 질소산화물의 환원반응을 촉진하면서 선회도 증가 및 공기분리통(3)의 확대관(5)화로 형성되는 화염대는 종래버너보다 더 직경이 증가하고 분할화 되면서 화염의 방사전열량이 커져 제3도와 같이 화염대 온도를 낮출 수 있으며 이 또한 질소산화물 생성억제에 아주 효과적이다.

본 발명의 효과는 제3도에서 종래발명과 비교하여 나타낸 바와같이 화로깊이 방향에 따른 화염온도 분포를 보면 종래 발명에 비하여 본 발명은 국부적인 고온부가 없이 완만한 온도분포를 갖도록 함으로써 화염대 고온화에 따른 열적질소 산화물의 생성을 억제시킬 수 있도록 하였다. 또한 질소산화물 저감효과 및 분진량 증가여부는 제4도 결과에 나타낸 바와 같이 기존 버너에서 비하여 질소산화물과 분진을 동시에 줄일 수 있다.

또한, 화로형상에 따른 적절한 선회도를 1차베인 구동축(9)과 2차베인 구동축(10)으로 조절할 수 있으므로 다양한 화로형상에 쉽게 적용시킬 수 있어 연소신뢰성을 향상을 아울러 증진 할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 버너타일(6), 연료노즐(7), 보염기(8) 등을 갖춘 버너에 있어서, 동일 반경상으로 1차베인(1), 2차베인(2)을 설치하고, 공기분리통(3)에 평행부(4)와 확대관(5)을 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물(NOx) 저감형 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 1차베인(1) 및 2차베인(2)에 1차베인 구동축(9)과 2차베인 구동축(10)을 추가하여 선회도 및 공기량을 조절함으로써 화로형상에 적합한 화염을 형성시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연소공기 단별유입 효과를 극대화한 질소산화물(NOx) 저감형 버너.

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